付 震，韓 丹，侯夢琪

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.博天環(huán)境集團華北設計中心，天津 300220）

當前，我國河道治理理念在逐步轉變，從單純滿足防洪排澇基本功能向充分重視水質、水量、水生態(tài)三位一體轉變。21 世紀前20 a 北方地區(qū)海河流域的河流水質整體上經歷了由差到良的轉變過程，河道治理的技術方案也在不斷更新，一些尊重自然、經濟可行、便于維護的技術方案得到廣泛運用。筆者以國內較早（2010—2012 年）實施的引灤黎河生態(tài)治理工程為例，介紹黎河人工濕地群系統(tǒng)的構筑理念及方案，探求在北方地區(qū)流域尺度下利用人工濕地群處理面源及高懸浮物水體的方法，介紹實際工程處理效果，為河道水環(huán)境治理尋求更系統(tǒng)更生態(tài)更有效的新途徑。

1 背景

人工濕地在我國起步于20世紀80年代初，20世紀80 年代末至20世紀90年代在天津、深圳、成都等地先后建立，主要用于城市污水再處理。21 世紀前10 a，特別是2008年北京奧運會前后，我國北方相繼建立了一批以處理湖泊、河流等地表水為主的人工濕地。引灤黎河人工濕地群自2008 年起開展前期科研工作，2011年開工，2013年完工，是我國北方地區(qū)較早實施的以濕地技術治理河流的系統(tǒng)性工程。

黎河位于海河流域、燕山南麓、河北省遵化市境內，是引灤入津工程的重要輸水河道，原為天然河道，以行洪、排澇為主。1983 年建成的引灤入津工程對部分河段進行了人工改造，改造后河道功能以輸水為主，兼顧行洪排澇。黎河發(fā)源于河北省遷西縣與遵化市交界處的山區(qū)，由東北流向西南，在冀津省界與沙河匯合，流向于橋水庫。河道全長76 km，有大小支流23 條。輸水借用河道57.6 km，主要位于中下游。黎河流域位于“三山兩川”之間，地面坡降較大，上游多為丘陵山地，植被狀況較好。泥沙來源以采礦、選礦的尾礦砂為主，懸浮物含量較一般天然河流偏高。

黎河作為引灤入津的必經線路，承擔著將灤河水輸送至天津市區(qū)的重要功能。輸水工程建成于南水北調中線工程通水以前，彼時引灤水主要用于補充天津市中心城區(qū)生活生產用水，從水量和水質角度同時提高黎河輸水的保證率，是城市發(fā)展的重中之重。

2 存在問題及治理方案

2.1 存在問題

與海河流域的發(fā)展狀況一致，隨著經濟發(fā)展，在21 世紀初引灤入津工程也逐漸受到了水質污染威脅。黎河作為引灤輸水河道，由于受到河道兩岸以及流域的點、面源，特別是采礦污染等影響，水質日趨惡化，嚴重危害引灤輸水的安全。黎河的污染特點可歸納為：點面源污染共存，從源頭危害引調水水質；支流污染高于干流，上中游污染高于下游；輸水和行洪交替進行，輸水期存在高污染水頭現象；河道及流域屬不同行政管理，流域污染總體治理難度大。

黎河流域范圍內城鎮(zhèn)、工業(yè)企業(yè)、農業(yè)、采礦業(yè)共存，在未治理以前，農業(yè)面源污染和選礦污水均就近排入黎河的支流。黎河干流兩岸范圍內村莊、工業(yè)企業(yè)眾多，受經濟發(fā)展水平限制，并未建立完善的污水收集管網和處理系統(tǒng)。常規(guī)水質監(jiān)測結果表明，氮磷和懸浮物是黎河水體的主要污染物，從上游至下游在各個時期各個監(jiān)測斷面的濃度均存在超標現象。各污染物沿程趨勢歸納后顯示，黎河水質污染物濃度從輸水河段起點到終點呈增長趨勢，大多污染物濃度特別是懸浮物，在中游的東灘橋或前毛莊監(jiān)測斷面達到最高。這表明那一時期，輸水河道的沿程水質受到了污染，污染輸入主要發(fā)生在河道的上游和中游，從而在源頭水體惡化的基礎上，進一步加劇了輸水水質的惡化。

通過1983—2011 年黎河下游于橋水庫入庫水量、水質數據分析可知，通過黎河實施的引灤輸水存在高污染負荷水頭現象。在輸水開始段，各污染物存在著明顯的高污染負荷區(qū)域，如總氮（TN）為前24 h、總磷（TP）為前36 h，隨后輸水水質達到穩(wěn)定。高污染水頭的總磷最大濃度達1.17 mg/L，平均濃度達0.23 mg/L；總氮最大濃度達9.3 mg/L，平均濃度達7.5 mg/L。后期來水的平均濃度遠低于高污染水頭。2008—2010 年多次輸水期黎河下游同一斷面總磷、總氮指標時間和濃度的變化過程，如圖1—2所示。

圖1 輸水期黎河下游斷面總磷變化

圖2 輸水期黎河下游斷面總氮變化

2.2 治理方案

為了保護引灤輸水水質，存在2 種最根本的解決方案：修建專用輸水管涵，恢復黎河河道天然功能，徹底切斷污染源對輸水水質的危害；從全流域角度治理黎河，采取生態(tài)恢復、產業(yè)轉型、農業(yè)升級、截污納管、加強監(jiān)管等綜合措施，從源頭上減輕黎河的污染負荷。該治理工程實施于2010—2012 年，受當時經濟、社會等客觀條件限制，以上2種方案實施難度極大。必須根據實際情況，采取有針對性、可實施性強的技術手段，合理運用資金，首先解決污染最重的外源輸入問題。

科研成果表明黎河的水污染負荷是多方面的，但是污染最重的是各級支流，特別是上中游區(qū)域的生活、農業(yè)面源、采礦污染均通過支流集中匯入黎河河道中。支流污染輸入是連續(xù)的，非輸水期累積于支流及干流河道內，輸水期形成前期高污染水頭，從而危害輸水線路下游水質。

針對黎河污染源的特征，以支流為脈絡，在干流左右岸重要支流口，選擇河灘地、坑塘、未利用地、農用地等便于工程實施的土地，因地制宜建設河灘地—表流—潛流—農村生態(tài)塘等多種工藝集成的復合型濕地群，構建黎河干流截污凈化系統(tǒng)，實現清水入河，保障引灤輸水安全。濕地群系統(tǒng)布局，如圖3所示。

圖3 濕地群系統(tǒng)布局

3 濕地群總布置

黎河兩岸共有23 條支流，其中6 條不具備濕地建設條件，其余支流口均布置人工濕地，濕地類型以表流和潛流濕地為主。對于上游存在村莊、企業(yè)、選礦廠等重點污染源、污染相對較重的支流，布置以潛流濕地為核心的人工濕地，在濕地上下游設置表流濕地，進行預處理和水質再提升。對于上游以農業(yè)面源為主、污染相對較輕的支流，布置以表流濕地為核心的人工濕地，合理優(yōu)化工程設計，減少運行期管護壓力。所有人工濕地均根據支流口的土地條件，盡量選擇旁路凈化濕地，以利于行洪，同時確保濕地工程自身安全。濕地群布置共計17處，設計總處理規(guī)模4.35萬m3/d，其中以潛流濕地為核心的強化型濕地4 處，設計處理規(guī)模1.85 萬m3/d；以改造支流河灘地為主的普通型表流濕地13處，設計處理規(guī)模2.5萬m3/d。濕地群設計特性統(tǒng)計，詳見表1。

表1 黎河濕地群特性統(tǒng)計

4 濕地單體設計方法

4.1 外界條件

以某污染較重支流為例，簡述單體濕地的設計過程。該支流位于黎河中游，主要污染源為上游采礦廠選礦廢水，污染物以懸浮物（SS）、總磷、總氮為主，間歇性排放，水量較小，不易形成連續(xù)徑流。支流輸入干流的污染集中于汛期前后，隨雨水進入河道。受兩岸選礦廠污水排放及降雨的共同影響，流量波動較大。2009、2010 年水質水量實測結果，詳見表2—3。

表2 某支流實測水質數據 mg/L

表3 某支流實測水量數據

4.2 工藝設計

根據該支流水質水量特征，結合現場地形，設計采用河灘地表流+預處理沉砂池+潛流濕地復合型工藝，如圖4所示。

圖4 某支流口濕地工藝流程

4.3 控制參數

控制參數主要為潛流濕地設計進出水條件，選取懸浮物和總磷2 種主要污染物進行控制，控制值參照水質實測結果并考慮適度水質波動，確定濕地工程進出水指標為：進水SS≤1 500 mg/L、TP≤0.6 mg/L；出水SS≤150 mg/L、TP≤0.3 mg/L。由于支流流量波動較大，因此濕地設計處理規(guī)模分2個時段考慮：非汛期處理日常流量和汛期處理重污染水頭。由于日常水量遠小于汛期重污染水頭量，因此潛流濕地規(guī)模按汛期日徑流量的10%確定，取3 200 m3/d。

4.4 潛流濕地設計面積

污染物去除率采用Monod動力學模型，方程如下：

式中：RR為規(guī)范化去除率；Ci、C0分別為系統(tǒng)的進水濃度和出水濃度（g/m3）；Q 為處理日徑流量（m3）；K0.A為零階面積去除率常數[g/（m2·d）]；A 為潛流濕地處理單元的有效面積（m2）。

當濕地系統(tǒng)實際處理日徑流量高于最佳處理流量時，RRmax=1。此時濕地的理論最佳處理面積為：

人工濕地去除率與濕地系統(tǒng)的結構、地理位置、氣候、植物和微生物等多種因素有關，不同工況下面積去除率常數K0.A是不一樣的。這里工程去除率常數取值為：K0.A（TP）=0.40 g/（m2·d），同時用COD 及TN 去除率常數對濕地設計面積進行復核，去除率常數取值分別為：K0.A（COD）=25 g/（m2·d）、K0.A（TN）=7.0 g/（m2·d）。根據上述模型及參數計算，考慮工程水質安全及地形因素，該濕地設計面積取5 000 m2。

4.5 填料體水力學計算

為了減輕人工濕地運行期維護成本和管理壓力，濕地進出水采用重力自流方案，濕地設計為復合水平潛流濕地，填料體中水流以水平滲流為主，兼有垂直滲流。水力學計算采用達西定律，計算結果詳見表4。

表4 濕地水力計算結果

計算結果顯示當潛流濕地填料體進出口水頭差為0.05 m 時，可安全運行。從工程實際及地形條件角度考慮，設計進出水頭差取0.10 m。

4.6 管道水力學計算

除濕地填料體外，水從河道自流入沉砂池，經布水管道進入濕地，再由集水出水管道返回河道，整個濕地系統(tǒng)管道水力學計算公式為：

式中：hf為水頭損失（m）；λ為摩阻系數(無量綱)；dj為管道計算內徑（m）；υ 為平均水流速度（m/s）；g 為重力加速度（m/s2）。

簡化經驗公式為：

式中：Q為流量（m3/s）；其余變量含義同上。

采用簡化公式計算濕地各單元間管道水頭損失，結果詳見表5。

表5 各管段水頭損失值

上述計算結果為各單元最低高差，為保證工程有效運行，同時工程區(qū)地形條件較好，因此擴大各單元間設計高差。確定沉砂池與攔污控制壩堰上水頭差為0.10 m，潛流濕地水面與沉砂池水頭差為0.20 m，潛流濕地出水與地表水常水位水頭差為0.20 m。

5 濕地群效益及討論

黎河濕地群建成后，第三方監(jiān)測機構對工程效果進行了實測。以上述某支流濕地為例，濕地正常運行后，共進行了7次監(jiān)測，監(jiān)測結果數據統(tǒng)計分析詳見表6。

表6 某支流口濕地實測均值及分析 mg/L

實測結果表明，在監(jiān)測期間實際運行的某支流濕地總磷和懸浮物均可滿足設計要求。實測指標中SS和NH3-N 處理效果顯著，削減率高于80%；COD處理效果和TP基本一致，削減率大于30%；TN處理能力不足。濕地群其他強化型濕地運行效果與該支流濕地基本一致，其余表流濕地對SS的削減作用亦較為明顯，但對有機污染物去除效果普遍低于強化型濕地。

建成后的評估監(jiān)測均在9月，由于監(jiān)測周期較短，監(jiān)測結果尚不足以全面反映人工濕地的運行狀況。比如在北方的初春和深秋2個季節(jié)，容易形成小強度降雨，產生污染徑流，此時氣溫一般低于10℃，不利于植物和微生物生長，人工濕地的削減能力主要體現在懸浮物上，對氮磷的削減能力很難達到設計要求。

6 結語

黎河人工濕地群屬于國內較早運用濕地技術對河道水環(huán)境進行治理的工程實例，近年來黎河乃至引灤全線以保護水質為核心的綜合治理工程仍在持續(xù)進行中。在當時的經濟、社會等條件下，選擇在河道沿線支流口建設人工濕地群，是一種科學可行的技術手段。盡管該濕地群處理總氮的能力不足，但海河流域同時期工程類比表明，人工濕地技術去除總氮始終是一道難題。實踐證明，人工濕地技術去除懸浮物、氨氮、總磷的處理效果較為明顯，投資費效比高，施工難度小，后期運行管護壓力較小。同時人工濕地屬自然自凈技術，有利于河道生態(tài)修復和水環(huán)境的提升。近年來，隨著人工濕地在地表水體治理中的大量應用，新的工藝層出不窮。黎河沿線已建成的濕地群可運用新技術新理念進行提升，從而充分發(fā)揮保障引灤輸水安全的作用。